軟弱地層對狹長深基坑變形的影響研究

趙 宇，范存新，郭 兵，田德新，劉得俊

（1、蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院 江蘇蘇州215011；2、中鐵十六局集團有限公司 江蘇昆山215334）

0 引言

隨著我國城市化的快速發(fā)展，城市對于軌道交通的需求也越來越大，因此近年來各個城市間開始建設(shè)大量的地鐵車站來滿足人們對出行的需求［1-2］。地鐵車站大多位于城市主干道，周邊存在眾多房屋建筑與地下管線，一旦基坑開挖發(fā)生事故，就會造成周邊環(huán)境破壞；特別是在軟土地區(qū)的基坑開挖，由于軟土的強度低、擾動性大等特性，開挖施工常常會使圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形，所以對處于深厚軟土層中的狹長深基坑進行研究具有一定的工程意義［3］。

目前大量學(xué)者針對軟土深基坑變形進行了分析研究，王立忠等人［4］采用MMSD 法成功預(yù)測了狹長軟土深基坑的基坑安全度與支護位移；張燕書等人［5］采用Midas 軟件，研究了軟土層對狹長深基坑地表沉降的影響，并得到相關(guān)規(guī)律；唐寅偉［6］使用Flac 3D軟件，對蘇州地區(qū)超深地連墻施工引起的土體變形進行了分析總結(jié)。李福林［7］通過Plaxis 3D 軟件，發(fā)現(xiàn)狹長深基坑開挖深度對基坑側(cè)壁土體豎向位移有較大影響。

從上述研究可發(fā)現(xiàn)，根據(jù)工程實際情況，并采用有限元模型進行進一步分析基坑變形情況，是目前的一種普遍方法。通過收集蘇州地區(qū)實際工程項目［8-11］資料，得知蘇州地區(qū)地下軟土層厚度及基坑開挖深度變化普遍較大，軟土層厚度一般為1.4～20.0 m，基坑開挖深度一般為13.0～24.0 m?？紤]到基坑工程具有較大區(qū)域性，基坑開挖深度、軟土層厚度、軟土參數(shù)等因素的變化會導(dǎo)致基坑變形有所差異，為了能夠?qū)μK州深厚軟土地區(qū)狹長深基坑變形規(guī)律提供工程參考，本文以蘇州地區(qū)某地鐵車站狹長深基坑為工程背景進行研究。車站基坑所處軟土層普遍較厚，平均厚度近20.0 m，能夠較好地反映深厚軟土地區(qū)狹長深基坑的變形規(guī)律，同時將實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果進行對比分析，驗證有限元模型的可靠性。最后，建立考慮滲流-應(yīng)力耦合的三維地鐵狹長深基坑開挖的有限元模型，通過改變開挖深度、軟土層厚度及軟土層傾斜角度3 個參數(shù)，分析深厚軟弱土層狹長深基坑的變形規(guī)律，為后續(xù)類似工程提供科學(xué)依據(jù)。

1 有限元模型建立

1.1 工程概況

本車站為島式站臺車站，基坑采用地下連續(xù)墻與內(nèi)支撐的圍護方案，地下連續(xù)墻厚度為800 mm。車站基坑標準段寬度為20.7 m，開挖深度約為14.7 m，端頭井寬度為25.4 m，開挖深度約為16.3 m?；觾?nèi)支撐共有5 層，第1 層為鋼筋混凝土支撐，截面尺寸為800 mm×1 000 mm；標準段第3層為φ800@16鋼支撐，第2、4、5層為φ609@16鋼支撐，支撐間距從上至下分別為3.1 m、3.0 m、3.0 m、3.1 m 及3.445 m。端頭井第3、4 層均為φ800@16 鋼支撐，第2、5 層為φ609@16 鋼支撐，支撐間距從上至下分別3.1 m、3.0 m、4.0 m、3.7 m 及3.4 m。根據(jù)文獻［12］中說明坑外地表沉降預(yù)估曲線影響范圍為4 倍開挖深度，因此選用模型寬度為120 m，長度為400 m，深度為66.9 m。車站基坑位于道路交叉口，北側(cè)為醫(yī)療城，南側(cè)為某大廈，地下存在多條市政管線，環(huán)境較為復(fù)雜。

1.2 有限元數(shù)值模擬

采用巖土領(lǐng)域通用的有限元分析軟件Midas GTS NX 建立模型，模擬該車站基坑的開挖過程，將其模擬結(jié)果與實際結(jié)果進行對比，驗證材料屬性、圍護結(jié)構(gòu)變形等符合實際情況。施工工況根據(jù)實際情況進行建模，每層開挖前先進行降水，開挖結(jié)束后立即增設(shè)支撐，共計15個施工工況。土體參數(shù)根據(jù)勘察報告中的土體物理力學(xué)指標建議值和鉆孔資料取值，地層分布如表1所示。

表1 場地土層物理性質(zhì)Tab.1 Physical and Mechanical Properties of the Soil

模型中土體采用修正莫爾-庫倫本構(gòu)模型；地連墻采用2D 板單元，材料為C35 混凝土，彈性模量取值為31.5 GPa，泊松比為0.22。支撐采用1D 梁單元，鋼支撐材料為Q235 鋼材，彈性模量取值為20.5 GPa，泊松比為0.30；鋼筋混凝土支撐材料為C30混凝土，彈性模量取值為31.5 GPa，泊松比為0.22。支撐結(jié)構(gòu)均為彈性本構(gòu)。通過軟件的界面助手生成無厚度的界面單元來模擬地連墻與土體之間的接觸面。模型四周采用法向約束，底部采用固定約束。

1.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對比分析

基坑監(jiān)測平面如圖1 所示，為了說明數(shù)值模型的可行性，選取3個典型的監(jiān)測點06、09、12，將3處地連墻側(cè)移與地表沉降的數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果相對比。從地連墻側(cè)移隨深度變化曲線（見圖2），地連墻側(cè)移模擬結(jié)果與實測結(jié)果整體吻合較好，基坑變形模式均為拋物線型。模擬結(jié)果中地連墻底部踢腳普遍大于實測結(jié)果，這可能是模擬時采用的坑底土體參數(shù)低于實際土體參數(shù)所導(dǎo)致。在不同工況下，模擬結(jié)果中最大地連墻側(cè)移變形位置均位于開挖面以下2～3 m，與實測結(jié)果類似。在開挖第3、4層時地連墻位移普遍增長明顯，為軟土強度較低、被動區(qū)土壓力不足所導(dǎo)致?？傮w上來看，模擬結(jié)果可以較好地反映狹長軟土基坑開挖引起的地連墻側(cè)移變形規(guī)律。

圖1 基坑示意圖Fig.1 Diagram of Foundation Pit

圖2 地連墻側(cè)移隨深度的變化曲線Fig.2 Variation Curve of Lateral Displacement of Diaphragm Wall with Depth

從地表沉降隨距墻后距離變化曲線（見圖3）可看出地表沉降模擬結(jié)果趨勢與實際結(jié)果均呈“凹槽型”分布形式，基坑開挖深度越深，地表沉降越大。墻后地表最大沉降位置位于0.34He～0.61He之間，超過2He后沉降逐漸趨于穩(wěn)定，與實測結(jié)果相似。綜合來看，模擬結(jié)果可以合理地預(yù)測地表沉降規(guī)律。

圖3 地表沉降隨距墻后距離變化曲線Fig.3 Curve of Surface Settlement with Sistance from behind the Wall

根據(jù)上述結(jié)果分析，地連墻側(cè)移與坑外地表沉降模擬結(jié)果與實測結(jié)果均吻合較好，說明采用Midas GTS NX 有限元軟件可以較好地模擬深厚軟土狹長基坑的變形特點與趨勢，同時也表明土體與圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)具有一定的合理性。

2 分析模型建立

為了保證計算精度的同時，減少模型的計算時間，根據(jù)文獻［13］中平面應(yīng)變比PSR 的概念，將三維模型簡化為平面應(yīng)變模型。使用的平面應(yīng)變模型尺寸為220 m×24 m×72 m。模型首層填土厚度為2 m，基坑開挖寬度為21 m，開挖深度分別為15 m、18 m、21 m。支撐形式為首層鋼筋混凝土支撐，其余均為φ609@16的鋼支撐，支撐水平間距為3 m。計算模型與有限元模型如圖4、圖5 所示。由于同一場地存在不同厚度的軟土層且軟土層分布并不均勻，因此本文定義軟土層傾斜角度Ht來反映軟土層的不均勻程度，Ht越大，軟土層分布越不均勻；Ht越小，軟土層分布則越均勻。模型中土體參數(shù)的取值如表2所示。

圖4 計算模型Fig.4 Calculation Model

圖5 有限元模型Fig.5 Finite Element Model

3 分析結(jié)果對比

根據(jù)表3 中不同軟土參數(shù)得到的不同基坑變形，進行統(tǒng)計分析得到以下結(jié)論。

表2 計算模型土體參數(shù)Tab.2 Calculation Model Soil Parameters

表3 參數(shù)組合分析Tab.3 Parameter Analysis

3.1 開挖深度He對地連墻最大水平位移δ hm的影響

開挖深度He和地連墻最大水平位移δhm之間的關(guān)系曲線如圖6所示，從圖6中可以發(fā)現(xiàn)：

⑴當傾斜角度Ht為0°～4.76°時，隨著開挖深度He與軟土層厚度Hs增加，地連墻最大水平位移δhm逐漸增大，且增長的幅度越來越大。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是由于基坑開挖深度與軟土層厚度的增加，主動區(qū)土壓力隨兩者的增大而增大，最終導(dǎo)致地連墻水平位移偏大。

⑵當傾斜角度Ht為9.46°～14.04°時，隨著開挖深度He的增加，地連墻最大水平位移δhm趨勢變?yōu)橄仍龃蠛鬁p小。這說明隨著傾斜角度的增加，土壓力分布發(fā)生變化，使得地連墻受力情況出現(xiàn)差異，在不同軟土層厚度下，當He=18 m，地連墻最大水平位移均為最大值。

⑶隨著傾斜角度Ht的增加，地連墻最大水平位移δhm均有不同程度的增加。當軟土層厚度在12 m以下時，隨著軟土層厚度的增加，地連墻最大水平位移增長速率較小，影響較小；軟土層厚度大于12 m后，隨著軟土層厚度的增加，增長速度逐漸增大，影響較大。

圖6 不同傾斜角度Ht下He和δhm之間的關(guān)系Fig.6 The Relationship between He and δhm at Different Tilt Angles Ht

3.2 軟土層傾斜角度Ht對地連墻最大水平位移δ hm的影響

將不同傾斜角度Ht下相對地連墻水最大平位移δhm/He和相對軟土層厚度Hs/He的關(guān)系進行曲線擬合（見圖7），可以發(fā)現(xiàn)它們呈明顯的指數(shù)相關(guān)，擬合的曲線如下所示：

由圖7和擬合關(guān)系式可以發(fā)現(xiàn)：

⑴隨著相對軟土層厚度Hs/He的增長，最大地連墻水平位移δhm呈指數(shù)增長，說明Hs對δhm有較大影響，與前文結(jié)論相同。

⑵軟土層傾斜角度Ht越大，數(shù)據(jù)離散程度越小，數(shù)據(jù)點越收縮，這說明Ht較大時，開挖對δhm的影響開始減弱。當傾斜角度較小時，數(shù)據(jù)離散程度越大，開挖深度對δhm的影響也就相對較大，這時考慮軟土厚度與軟土層傾斜角度的同時應(yīng)該考慮開挖深度對圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移的影響。

⑶當遇到相似狹長軟土深基坑時，可以根據(jù)軟土層厚度Hs，開挖深度He，傾斜角度Ht對地連墻最大水平位移進行估算，對實際工程有一定參考意義。

圖7 不同開挖深度下相對軟土層厚度Hs/He與相對地連墻最大水平位移δhm/He之間的關(guān)系Fig.7 The Relationship between the Relative Soft Soil Thickness Hs/He and the Maximum Horizontal Displacement δhm/He of the Opposite Underground Diaphragm Wall at Different Excavation Depths

3.3 開挖深度He對墻體最大水平位移深度Hw的影響

⑴由圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著軟土層厚度Hs的增加，地連墻最大水平位移深度Hw在逐漸下移，軟土層厚度較小時，地連墻最大水平位移的位置基本保持不變。這表明軟土層厚度變化對地連墻最大水平位移的位置有較大影響。

⑵不同開挖深度He情況下，地連墻最大水平位移深度Hw差別不大，說明開挖深度對其影響較小。

⑶不同傾斜角度Ht下，地連墻最大水平位移深度Hw在前期差別不大，但在后期，隨著傾斜角度的增加，最大水平位移位置有小幅增加。這表明傾斜角度對地連墻最大水平位移的位置有一定影響。

4 結(jié)論

本文通過工程項目實測結(jié)果對Midas GTS NX 建立的數(shù)值模型進行模型驗證，并通過不同軟土層厚度、傾斜角度、開挖深度3個方面來研究軟土地區(qū)狹長深基坑的變形規(guī)律，得出以下結(jié)論：

⑴本文建立的蘇州某車站基坑數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果有較好的吻合度，說明采用Midas GTS NX建立的數(shù)值模型，能夠較好地模擬在深厚軟土地區(qū)狹長深基坑的變形特點。

⑵在軟土地區(qū)，相對于基坑開挖深度與土體傾斜度，軟土層厚度對基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形影響較大，隨著軟土層厚度的增加，圍護結(jié)構(gòu)的最大水平位移呈指數(shù)型增長。當傾斜角度在14.04°以內(nèi)時，隨著傾斜角度的增加，開挖深度對圍護結(jié)構(gòu)水平變形的影響開始逐漸減弱。

⑶根據(jù)不同軟弱土層參數(shù)下數(shù)值模擬的結(jié)果，給出了不同Ht和He條件下δhm/He和Hs/He之間的擬合公式，為后續(xù)類似工程提供參考。

⑷當基坑開挖深度變大后（18～21 m），同時軟土層厚度較小時，地連墻最大側(cè)移深度基本不隨傾斜角度的變化。當基坑開挖深度較?。?5 m）時，地連墻最大側(cè)移深度變化與軟土層厚度與軟土層傾斜角度關(guān)聯(lián)度較大，與開挖深度關(guān)聯(lián)度較小。